關(guān)于計算機操作系統(tǒng)的定義

孟 靜 唐志敏

(中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100191)

關(guān)于計算機操作系統(tǒng)的定義

孟 靜 唐志敏

(中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100191)

首先探討術(shù)語定義的基本要素，指出概念的定義必須足以判斷某個事物屬于或不屬于該概念所指稱的屬類。然后針對“操作系統(tǒng)”這個計算機學(xué)科基本名詞，詳細分析了其概念內(nèi)涵，指出了國內(nèi)外常見教材中相關(guān)定義存在的問題，并提出了揭示概念本質(zhì)特性的新定義。

名詞，定義，操作系統(tǒng)

一 關(guān)于術(shù)語的定義

對任何一個名詞概念，應(yīng)該如何解釋、定義、描述它？要解釋、定義、描述到何種程度？這首先涉及，什么是定義？筆者早在多年前就提出，A的定義應(yīng)是能足以用來判斷任何一個東西(事物)是A或不是A的判斷工具和依據(jù)[1-2]。所以(達標的)定義一定要明確、清晰、嚴格到能夠作為上述判斷工具的程度，否則就只能算是解釋或描述(或者說定義未達標)。也就是說，A的定義一定要能揭示A的唯一性——能把A與非A(這世上所有其他事物)區(qū)分開來的唯一性。

對“××是什么”問題的答案，在不同場合和情形下，對于不同提問對象，對答案的要求級別是不同的，有時需要給出最嚴格的定義，有時只需給出某種程度或角度的解釋或描述。而術(shù)語工作者，辭典和百科全書編纂者，以及教材和教師等，有責(zé)任給出達標的定義——要盡量給出符合以上“定義的定義”要求的最準確的答案，而非泛泛的不明確的解釋或描述。例如在操作系統(tǒng)原理等課程中介紹什么是操作系統(tǒng)時，如果學(xué)生學(xué)完后不能把操作系統(tǒng)與網(wǎng)管軟件區(qū)分開，那就是定義未達標。再例如在操作系統(tǒng)原理等課程中介紹什么是虛存時，如果學(xué)生學(xué)完后不能把虛存與交換技術(shù)、多道、分區(qū)等區(qū)別開并理清關(guān)系，那就是定義未達標。

下面以操作系統(tǒng)的定義為例進行探討。

二 國內(nèi)外對操作系統(tǒng)的常見定義

操作系統(tǒng)定義通常出現(xiàn)在辭典、百科全書、教材中，我們以最有代表性的教材為例。

目前國外最著名的操作系統(tǒng)原理教材——《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》[3]中，沒有對操作系統(tǒng)給出一個專門的定義，而是在“什么是操作系統(tǒng)”中通過“作為擴展機器的操作系統(tǒng)” “作為資源管理者的操作系統(tǒng)”這兩小節(jié)來詳細分述操作系統(tǒng)的兩個作用或功能。

另一本比較著名的教材，《操作系統(tǒng)精髓》[4]中，沒有專門提出或回答“操作系統(tǒng)是什么”的問題，而是在“操作系統(tǒng)的目標與功能”這一節(jié)中，有以下一段總的介紹：“操作系統(tǒng)是控制應(yīng)用程序執(zhí)行的程序，并充當(dāng)應(yīng)用程序和計算機硬件之間的接口。它有以下三個目標：方便——操作系統(tǒng)使計算機更易于使用；有效——允許以更有效的方式使用計算機系統(tǒng)資源；擴展能力——在構(gòu)造操作系統(tǒng)時，應(yīng)該允許在不妨礙服務(wù)的前提下有效地開發(fā)、測試和引進新的系統(tǒng)功能。”接下來，該教材以三個小節(jié)分別講述這三個目標： “作為用戶/計算機接口的操作系統(tǒng)”“作為資源管理器的操作系統(tǒng)”“操作系統(tǒng)的易擴展性”。

國內(nèi)外其他教材和辭典中“操作系統(tǒng)”的定義大都與以上兩個定義類似，限于篇幅，不再一一列舉。

三 對以上定義的評析和看法

筆者認為，以上定義與角度雖然都是操作系統(tǒng)的重要特性，但都不能揭示操作系統(tǒng)的本質(zhì)特性，因為它們都不足以把操作系統(tǒng)與其他軟件區(qū)分開來——因為以上定義角度或特性都也可以用于描述很多上層軟件。例如“資源管理”觀點，計算機系統(tǒng)中很多上層應(yīng)用軟件都具有資源管理功能或特性，都可以看作是對某種或某些資源的管理，如數(shù)據(jù)庫管理軟件、網(wǎng)管軟件等。所以，從資源管理角度不能把操作系統(tǒng)與其他軟件區(qū)分開來。即便是說操作系統(tǒng)是“管理硬件資源”的，那網(wǎng)管軟件和一些第三方廠商的設(shè)備管理工具也是“管理硬件資源”的，又如何區(qū)分？同樣的理由，以上其他定義角度也都不能作為操作系統(tǒng)的本質(zhì)特性(只能作為其重要特性)和區(qū)分于其他軟件的區(qū)分判斷工具。

四 操作系統(tǒng)的定義

筆者認為，只有“硬件相關(guān)、應(yīng)用無關(guān)”才是操作系統(tǒng)的本質(zhì)特性——才是據(jù)此和真正足以能把操作系統(tǒng)與其他軟件區(qū)分開來的唯一判斷工具，才能作為操作系統(tǒng)的本質(zhì)定義。因此，筆者早在1997年就提出了以下關(guān)于操作系統(tǒng)的定義：

“操作系統(tǒng)是計算機中最重要和最底層的系統(tǒng)軟件，是這樣的一組系統(tǒng)程序的集成：這些系統(tǒng)程序在整個計算機系統(tǒng)的運行過程中，在用戶對計算機的使用過程中，在用戶程序的運行過程中(包括用戶程序的裝入、啟動、運行、結(jié)束和退出的完整過程中)，負責(zé)完成所有硬件相關(guān)、應(yīng)用無關(guān)的基本使用工作，為使計算機系統(tǒng)能高效、安全、可靠、方便地運轉(zhuǎn)，而從最底層統(tǒng)一提供所有通用的幫助和統(tǒng)一的管理。”[2](見圖1、圖2)

下面對上述定義中諸要點進行具體的理解分析和解釋說明。

(一)關(guān)于定義的由來

操作系統(tǒng)的存在本身是從整個計算機系統(tǒng)的運行目標和用戶要求出發(fā)安排的，即，是從整個計算機系統(tǒng)的“方便、效率、可靠、安全”的整體目標出發(fā)安排的。為實現(xiàn)該整體目標，整個計算機系統(tǒng)有明確的功能分工層次劃分(見圖1)，這種功能分工層次劃分(及操作系統(tǒng)在其中的位置)具有如下特點和優(yōu)點：

1.整個計算機系統(tǒng)的這種分工分層的主要劃分原則是，把上層(子集)所共需的功能，從上層分離出來，集中到下層中，使下層的功能是上層(子集)所共需的。這樣做的目的是避免功能重復(fù)和代碼重復(fù)導(dǎo)致的重復(fù)勞動和重復(fù)存儲。而根據(jù)這種“下層為上層所共需”的特性來類推，最底層的功能就是上層所有各層軟件所共需的功能。而在計算機系統(tǒng)的整體功能分工層次中(圖1)，操作系統(tǒng)的角色分工正是處于軟件層次的最底層，即，操作系統(tǒng)的功能是上層所有其他軟件所共需的。這正是應(yīng)用無關(guān)的由來之一。

2.在上述分工分層中，操作系統(tǒng)處于所有軟件最底層，因此恰好處于硬件與其他軟件的分界線上和接口上，操作系統(tǒng)出現(xiàn)和存在的理由和原因之一，就是作為硬件與其他軟件之間的分界線和接口，負責(zé)完成所有硬件相關(guān)的工作，對上層屏蔽了所有硬件相關(guān)細節(jié)，使上層所有軟件都是硬件無關(guān)的，從而使上層軟件可以不受底層硬件變化的影響，并大大減輕上層軟件的編程負擔(dān)。這正是硬件相關(guān)的由來。

圖1 整個計算機系統(tǒng)的功能分工分層構(gòu)成和操作系統(tǒng)在其中的地位

3.分工分層同時也就意味著下層對上層具備了集權(quán)和隔離。整個計算機系統(tǒng)擁有眾多的用戶、用戶程序和各種資源(中央處理器、內(nèi)存、外存、各種輸入/輸出設(shè)備、大量數(shù)據(jù)和信息資源等)，顯然，需要從整個計算機系統(tǒng)對所有這些用戶、程序、資源進行統(tǒng)一管理，以確保整個計算機系統(tǒng)(及其所有組成成分，所有用戶、程序和資源)的可靠、安全、效率和方便。而上述圖中的分工分層同時也正是通過這種集權(quán)和隔離而為整個計算機系統(tǒng)的統(tǒng)一管理提供了可能性。最底層意味著最集權(quán)，因此這種最統(tǒng)一的管理正是由最底層的操作系統(tǒng)承擔(dān)的。同時，這種統(tǒng)一管理也是應(yīng)用無關(guān)和硬件相關(guān)的。尤其是硬件相關(guān)的內(nèi)容，對系統(tǒng)安全與可靠性至關(guān)重要。還有，現(xiàn)在這種統(tǒng)一管理通常是強制的(導(dǎo)致前述統(tǒng)一幫助也是強制的)。

4.操作系統(tǒng)具有提供幫助和統(tǒng)一管理的雙重角色，這雙重角色多少也來自于上述整個計算機系統(tǒng)的功能分工分層中的同樣特性：下層對于上層既提供上層所共需的幫助(功能)，同時也對于上層起到管理和集權(quán)、隔離的權(quán)威作用。而最底層則在提供所有上層共需幫助的同時，也對所有上層具有管理權(quán)威。這最底層即操作系統(tǒng)。

5.上述的功能分工分層，是整個計算機系統(tǒng)軟硬件各層次分工(包括軟件與硬件之間的分工，硬件各層次間的分工，軟件各層次間的分工)及至整個人類社會分工都在基于同樣理由而普遍采用的技術(shù)之一。目的都是為了方便、效率、可靠、安全。

6.從操作系統(tǒng)在歷史上最初出現(xiàn)至今，操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的層次地位和角色分工、功能作用、本質(zhì)特性，就一直如上所述。

圖2 操作系統(tǒng)的本質(zhì)功能范圍

(二)關(guān)于硬件相關(guān)和應(yīng)用無關(guān)的具體含義

1.什么是硬件相關(guān)和硬件無關(guān)

1)什么是硬件相關(guān)(hardware-dependent, machine-dependent)：

硬件相關(guān)在不同場合有不同含義，筆者將之歸結(jié)為直接(狹義)與間接(廣義)兩種：

一個程序、軟件或一段代碼是(狹義的或直接的)硬件相關(guān)的，是指這個程序或這段代碼中包含對I/O設(shè)備硬件物理地址、設(shè)備接口寄存器、設(shè)備接口緩沖區(qū)等的直接讀寫。計算機系統(tǒng)中的所有軟件中通常只有操作系統(tǒng)才是狹義的硬件相關(guān)的。

一個程序或軟件是(廣義的或間接的)硬件相關(guān)的，是指這個程序或軟件包含或涉及硬件物理地址或設(shè)備接口寄存器等硬件物理細節(jié)。如DEBUG程序、故障診斷程序、編譯程序、網(wǎng)管軟件、以及一些第三方廠商的設(shè)備管理工具等。

本文分析并設(shè)計了基站輔助列車D2D通信建立過程以及列車自組織D2D通信過程，分別考慮在基站和ProSe服務(wù)器正常工作的情況下，以及在基站和ProSe服務(wù)器故障情況下列車D2D通信。針對列車自組織D2D通信，提出了一種基于ACB機制的資源分配方法，并將該方法與隨機競爭的方法進行仿真比較，證明本文提出的方法能有效提高列車識別率，并減少多數(shù)列車識別所用的時間。就技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，將D2D通信應(yīng)用于車車通信的研究還處于初級階段，還有許多的問題有待解決，許多研究內(nèi)容和成果還有待改進和深化。

這些廣義硬件相關(guān)程序與操作系統(tǒng)(即狹義硬件相關(guān)程序)最根本的區(qū)別是，這些廣義的硬件相關(guān)程序的代碼中不包含對物理地址和設(shè)備接口的直接讀寫。當(dāng)這些廣義的硬件相關(guān)程序想獲取或控制硬件相關(guān)狀態(tài)時，它們必須間接通過調(diào)用操作系統(tǒng)來進行。這些廣義硬件相關(guān)程序中的硬件相關(guān)性通常體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中而非體現(xiàn)在代碼中。

2)什么是硬件無關(guān)(hardware-independent, machine-independent)

與上述硬件相關(guān)的定義相應(yīng)，硬件無關(guān)的定義或解釋是：

一個程序、軟件或一段代碼是(狹義的或直接的)硬件無關(guān)的，是指這個程序或這段代碼中不包含任何硬件相關(guān)的因素。

一個程序或軟件或一段代碼是(廣義的)硬件無關(guān)的，是指這個程序或軟件不包含對I/O設(shè)備硬件物理地址或設(shè)備接口寄存器、設(shè)備接口緩沖區(qū)等的直接讀寫。即，廣義硬件無關(guān)由狹義硬件無關(guān)加上廣義硬件相關(guān)而組成。

大多數(shù)應(yīng)用程序是硬件無關(guān)的，例如編輯軟件等。

(1)什么是應(yīng)用無關(guān)(application-independent)

一個工作、功能或代碼是應(yīng)用無關(guān)的，是指不管用計算機來做什么，不管在計算機上運行什么應(yīng)用程序，都要普遍和頻繁涉及的工作，是用戶共需的，且工作過程都是相同的，是有共性可循的，卻又與應(yīng)用本身的問題沒有直接關(guān)系的。

(2)什么是應(yīng)用相關(guān)(application-dependent)

一個工作是應(yīng)用相關(guān)的，是指該工作與具體應(yīng)用相關(guān)，是只有某一類型具體應(yīng)用才會需要和涉及的，且其工作過程隨不同應(yīng)用而變化。

(三)關(guān)于“用戶程序運行期間”

上述對于操作系統(tǒng)定義中“用戶程序運行期間”的界定和強調(diào)，不僅進一步界定和強調(diào)了操作系統(tǒng)的這一重要特性，還進一步區(qū)分了操作系統(tǒng)與編譯系統(tǒng)。其實，對狹義與廣義硬件相關(guān)的區(qū)分，已經(jīng)足以把編譯程序與操作系統(tǒng)區(qū)分開來，編譯程序是廣義硬件相關(guān)的，而操作系統(tǒng)是狹義硬件相關(guān)的。而這里的區(qū)分是：編譯程序只用于產(chǎn)生目標代碼，而操作系統(tǒng)則是在目標代碼運行期間提供幫助。

(四)云操作系統(tǒng)、機群操作系統(tǒng)、網(wǎng)格操作系統(tǒng)、虛擬機操作系統(tǒng)等是否操作系統(tǒng)

云操作系統(tǒng)、并行操作系統(tǒng)、機群(集群)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、網(wǎng)格操作系統(tǒng)等，在本質(zhì)上都是在宿主機操作系統(tǒng)上運行的應(yīng)用程序，這五種“操作系統(tǒng)”的功能不構(gòu)成典型完整獨立的操作系統(tǒng)，依賴于并與底層的宿主機操作系統(tǒng)相互補充，從而形成一個廣義的大的操作系統(tǒng)，管理由多臺計算機資源組成的一個合集。

虛擬機的情況比較復(fù)雜多樣，有些虛擬機在宿主機操作系統(tǒng)下運行，有些虛擬機在裸機上運行，還有些其他更復(fù)雜的情況。但無論哪種情況，都可以并應(yīng)該這樣理解：在本文提出的操作系統(tǒng)定義中，操作系統(tǒng)所基于的計算機，可以是一個真實的物理的計算機，也可以是一個虛擬機。但無論基于哪個，本文操作系統(tǒng)定義中的操作系統(tǒng)所有特性和功能都不變，即，基于真實計算機的操作系統(tǒng)與基于虛擬機的操作系統(tǒng)是沒有區(qū)別的。正因如此，才會有這樣一種奇妙現(xiàn)象的普遍出現(xiàn)：同樣一個操作系統(tǒng)版本，既可以安裝于一個真實計算機上，也可以不加改變而安裝于一個虛擬機上。

所以，虛擬機操作系統(tǒng)的功能是完整獨立的，是典型和普通的操作系統(tǒng)，與基于真實計算機的操作系統(tǒng)沒有任何區(qū)別，只不過是基于虛擬機運行。相對于前述云操作系統(tǒng)等五種操作系統(tǒng)要依賴于宿主機操作系統(tǒng)而言，當(dāng)虛擬機在宿主機操作系統(tǒng)上運行時，基于虛擬機的操作系統(tǒng)是完全獨立于和無關(guān)于宿主機操作系統(tǒng)的。

就圖1展示的計算機系統(tǒng)層次而言，基于裸機的虛擬機相當(dāng)于在最底層的操作系統(tǒng)之下又加了一層虛擬機。但無論虛擬機是基于裸機還是基于宿主機操作系統(tǒng)，在虛擬機所模擬的計算機中、所向上展示和構(gòu)成的計算機系統(tǒng)中，在這個虛擬機計算機系統(tǒng)中，圖1的層次是不變的，只不過底層計算機硬件換成了虛擬機。

五 關(guān)于操作系統(tǒng)譯名

筆者認為，operating system譯為操作系統(tǒng)并不合適，“運行系統(tǒng)”似乎更合適一些。原因如下：

operating在英文中不僅有“操作”的含義，還有“運行、運轉(zhuǎn)、運營”等含義；而operating system這個計算機專業(yè)英文詞組本身在當(dāng)初命名時(1962年，取代監(jiān)控程序monitor等)，似乎更多地是取其“運行”含義，而非“操作”含義。這是因為，operating system的功能，更多地、更主要是體現(xiàn)在對整個計算機系統(tǒng)的運行控制和每個用戶程序的運行控制上，而非重點體現(xiàn)在對用戶操作的實現(xiàn)和控制上。雖然操作系統(tǒng)提供了大量用戶操作命令和圖形界面操作，但操作系統(tǒng)的最主要和本質(zhì)界面是操作系統(tǒng)內(nèi)核對外提供的系統(tǒng)調(diào)用界面，而系統(tǒng)調(diào)用界面是在用戶程序運行期間被用戶程序調(diào)用的，作用于程序運行級，而非用戶操作級。

舉個極端的例子，一些自動化系統(tǒng)，除了開關(guān)機外，需要的用戶操作很少，甚至不需要用戶再進行除開關(guān)機外的任何操作，更甚至，連開關(guān)機都不需要用戶操作，而是自動檢測自動進行開關(guān)機的，這樣的自動化系統(tǒng)上，當(dāng)然也有操作系統(tǒng)，顯然其對運行控制的功能更明顯一些、偏重一些。雖然普通的計算機系統(tǒng)上用戶操作的數(shù)量沒有少到這么極端，但舉這個極端例子是想說明，任何操作系統(tǒng)的側(cè)重點都是對系統(tǒng)運行和程序運行的控制和實現(xiàn)，而非對用戶操作的控制和實現(xiàn)。

采用操作系統(tǒng)這樣并不符合原意的譯名，容易導(dǎo)致初學(xué)者的誤解。但是，操作系統(tǒng)這個譯名已經(jīng)使用了三十多年，已成根深蒂固的習(xí)慣，要改為 “運行系統(tǒng)”可能也并非易事。

六 結(jié) 語

此外，在筆者多年編寫的操作系統(tǒng)原理教材中(文獻[1，2,5-7]為其中的一部分)，對內(nèi)存、虛存、文件子系統(tǒng)、鏈接、緩沖等大量名詞，都在定義達標上做了很多努力，并在各章尾通過作者提出的“內(nèi)存四空間模型”等各章總結(jié)模型，對這些定義做了系統(tǒng)化的比較、總結(jié)。本文篇幅所限，不一一細述。

筆者學(xué)疏識淺，上述定義必定待改進。本文旨在拋磚引玉，若有建議或異議，歡迎共同探討。

[1] 孟靜. OS教學(xué)之我思我做[J]. 煙臺大學(xué)學(xué)報，2007(20)：12-18.

[2] 孟靜. 計算機操作系統(tǒng)教程[M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社，1997.

[3] Andrew S. Tanenbaum. Modern Operating Systems [M].3rd Edition. New York: Prentice Hall, 2008.

[4] William S. Operating Systems: Internals and Design Principles [M]. 7th Edition. New York: Prentice Hall, 2012.

[5] 孟靜. 操作系統(tǒng)教程——原理和實例分析[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[6] 孟靜,唐志敏. 操作系統(tǒng)教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2009.

[7] 孟靜. 作業(yè)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 臺北:博碩文化出版公司,2007.

On the Definition of Operating System

MENG Jing TANG Zhimin

This paper discusses the essential aspects of term definition, and points out that the definition of a concept must fulfill the purpose to uniquely identify an object, i.e., it belongs to the class of the concept or it does not belong to the class of the concept. Also, the concept of the basic computer term “operating system” is analyzed in detail. Issues related to the definitions of “operating system” in most computer textbooks are discussed, and a new definition revealing the fundamental characteristics of this concept is given.

term, definition, operating system

2014-06-08

孟靜(1964—)，女，北京人，碩士，研究方向為操作系統(tǒng)及其教學(xué)。通訊作者：唐志敏(1966—)，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會計算機科學(xué)技術(shù)名詞審定分委員會副主任，主要從事高性能計算機系統(tǒng)領(lǐng)域的研究、設(shè)計和教學(xué)。通信方式：tang@ict.ac.cn。

N04；TP3 文獻標示碼：A

1673-8578(2014)04-0035-05